现代制造工程2010年第4期
速度分量;出口边界给定表压为0(相对于工作压强);螺旋桨和圆柱体表面采用无滑移边界条件,近壁区的黏性底层采用标准壁面函数简化处理;计算域流体则按Fluent软件提供的运动参考坐标系模型,设置绕Z轴以角速度ω旋转。
试验研究
验值非常接近,表明CFD对螺旋桨的模拟计算已经很
ε精确,具有可信度。从表1中可以看出采用RNGk2
ε模型的计算结果更接近,这说明模型和Realizablek2
ε模型和Realizablek2ε模型的计算精度高,比RNGk2
ε模型适用。标准k2ε模型采用了较多的简化标准k2
并且没有考虑旋转对湍流的影响,会产生一定的失
ε模型相比,2ε模型修正了湍动真。与标准k2
,。ε,从而反映了主流k,,而且在
ε模,所以RNGk2
型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的
ε模型采用新的耗散方程,湍动流动。而Realizablek2
黏度计算公式引入与旋转和曲率有关的内容,相比于
ε模型对瞬变流和流线弯曲的影响能做出更好标准k2的反应。
表1 J=019时采用三种湍流模型的模拟计算结果
湍流模型ε标准k2εRNGk2εRealizablek2
KT
3 数值模拟计算结果的考察分析
由螺旋桨的数值计算得到螺旋桨的推力系数KT、扭矩系数KQ和敞水效率η,进速系数J取015～111
(间隔011),螺旋桨直径D=0130m,转速n=min,保持转速不变,4
速大小来实现=);5
πKQ)其系数KQ=Q/(ρ);=KTJ/(2
中,ρ为密度,T,Q为扭矩。
ε模型计算所得的敞水性能曲线如图4采用标准k2
所示,与试验结果相比,模拟计算所得的KT2J、KQ2J曲
线斜率的绝对值稍大,试验值与模拟值在J=019处附近相交;而对于η2J线,当J小于019时模拟计算结果与试验结果吻合得很好,偏差在3%之内,几乎重叠;但随着J值增大,两曲线偏差变大,在J=111时达到411%。从图4中可以看出,J在018～019之间模拟计算结果与试验结果吻合得最好,而在J值较大时模拟计算结果的精度受到影响。总之,在选取的进速系数J为015～111之间模拟计算的结果与试验结果基本吻合。模拟计算结果与试验结果存在误差,主要原因有:在螺旋桨建模时,对实体模型和边界条件做了简化处理;在桨模试验中,吸力面上低于饱和压力的区域会有空泡的存在。而用CFD模拟计算没有使用空化模型,导致计算的KT与KQ值存在一定的偏差。
为探讨湍流模型对数值计算精度的影响,保持其
ε他参数设置不变,在J=019时尝试分别采用标准k2
ε模型和Realizablek2ε模型进行计算,模型、RNGk2结果见表1。三种湍流模型模拟计算的KT、KQ
值与试
10KQ01542015408015412
η
01610016081016084
01231012296012299
4 结语
1)通过CFD软件数值模拟了定常稳态条件下螺
旋桨的敞水性能,获得在不同的进速系数J下螺旋桨
的推力系数、转矩系数以及敞水效率,模拟结果与试验结果的偏差在允许范围之内。因此在研究螺旋桨性能的工作中可以运用CFD软件进行数值模拟,并且结果能够满足工程应用的要求。
2)对三种湍流模型的计算结果做了简要分析,在
ε模型和螺旋桨敞水性能的数值计算中,采用RNGk2
ε模型能获得更准确的结果。模拟计算Realizablek2
精度与湍流模型有关。选择合适的湍流模型才能得
到理想的计算结果。
3)本文初步探讨了采用CFD计算螺旋桨的敞水性能的过程。由于在螺旋桨三维模型的建立中做了很多简化处理,给模拟计算结果带来一定的偏差,求解的参数设定等还有待改进以获得最佳计算结果。
参考文献:
[1] 王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与
应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
图4 推力系数KT、扭矩系数KQ、敞水效率η曲线
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